Skeletal muscle adapts to decreases in activity and load by undergoing atrophy. To identify candidate molecular mediators of muscle atrophy, we performed transcript profiling. Although many genes were up-regulated in a single rat model of atrophy, only a small subset was universal in all atrophy models. Two of these genes encode ubiquitin ligases: Muscle RING Finger 1 ( MuRF1 ), and a gene we designate Muscle Atrophy F-box ( MAFbx ), the latter being a member of the SCF family of E3 ubiquitin ligases. Overexpression of MAFbx in myotubes produced atrophy, whereas mice deficient in either MAFbx or MuRF1 were found to be resistant to atrophy. These proteins are potential drug targets for the treatment of muscle atrophy.

Abstract

 Skeletal muscle size depends upon a dynamic balance between anabolic (or hypertrophic) and catabolic (or atrophic) processes. Previously, no link between the molecular mediators of atrophy and hypertrophy had been reported. We demonstrate a hierarchy between the signals which mediate hypertrophy and those which mediate atrophy: the IGF-1/PI3K/Akt pathway, which has been shown to induce hypertrophy, prevents induction of requisite atrophy mediators, namely the muscle-specific ubiquitin ligases MAFbx and MuRF1. Moreover, the mechanism for this inhibition involves Akt-mediated inhibition of the FoxO family of transcription factors; a mutant form of FOXO1, which prevents Akt phosphorylation, thereby prevents Akt-mediated inhibition of MuRF1 and MAFbx upregulation. Our study thus defines a previously uncharacterized function for Akt, which has important therapeutic relevance: Akt is not only capable of activating prosynthetic pathways, as previously demonstrated, but is simultaneously and dominantly able to suppress catabolic pathways, allowing it to prevent glucocorticoid and denervation-induced muscle atrophy.

A variety of findings seem to functionally link brain-derived neurotrophic factor (BDNF), and neurotrophin-3 (NT-3), while distinguishing both of these factors from the third member of the neurotrophin family, nerve growth factor (NGF). Here we demonstrate that all three of these neuronal survival molecules bind similarly to the low affinity NGF receptor, but that BDNF and NT-3, unlike NGF, do not act via the high affinity NGF receptor. However, both BDNF and NT-3, but not NGF, bind to full-length and truncated forms of a receptor-like tyrosine kinase, trkB, for which no ligand had previously been identified. In addition to binding BDNF and NT-3, trkB can mediate functional responses to both of these neurotrophins when it is expressed in PC12 cells, although BDNF appears to be the more effective ligand. Thus trkB encodes an essential component of a functional receptor for BDNF and NT-3, but not for NGF. Further evidence predicts the existence of additional functional receptors for the neurotrophins.

We report the identification of ligands for Tyro 3 (alternatively called Sky, rse, brt, or tif) and Axl (alternatively, Ark or UFO), members of a previously orphan family of receptor-like tyrosine kinases. These ligands correspond to protein S, a protease regulator that is a potent anticoagulant, and Gas6, a protein related to protein S but lacking any known function. Our results are reminiscent of recent findings that the procoagulant thrombin, a protease that drives clot formation by cleaving fibrinogen to form fibrin, also binds and activates intracellular signaling via a G protein-coupled cell surface receptor. Proteases and protease regulators that also activate specific cell surface receptors may serve to integrate coagulation with associated cellular responses required for tissue repair and growth, as well as to coordinate protease cascades and associated cellular responses in other systems, such as those involved in growth and remodeling of the nervous system.

Abstract

 Formation of the neuromuscular junction depends upon reciprocal inductive interactions between the developing nerve and muscle, resulting in the precise juxtaposition of a differentiated nerve terminal with a highly specialized patch on the muscle membrane, termed the motor endplate. Agrin is a nerve-derived factor that can induce molecular reorganizations at the motor endplate, but the mechanism of action of agrin remains poorly understood. MuSK is a receptor tyrosine kinase localized to the motor endplate, seemingly well positioned to receive a key nerve-derived signal. Mice lacking either agrin or MuSK have recently been generated and exhibit similarly profound defects in their neuromuscular junctions. Here we demonstrate that agrin acts via a receptor complex that includes MuSK as well as a myotube-specific accessory component.

Skeletal muscle atrophy occurs as a side effect of treatment with synthetic glucocorticoids such as dexamethasone (DEX) and is a hallmark of cachectic syndromes associated with increased cortisol levels. The E3 ubiquitin ligase MuRF1 (muscle RING finger protein 1) is transcriptionally upregulated by DEX treatment. Differentiated myotubes treated with DEX undergo depletion of myosin heavy chain protein (MYH), which physically associates with MuRF1. This loss of MYH can be blocked by inhibition of MuRF1 expression. When wild-type and MuRF1−/− mice are treated with DEX, the MuRF1−/− animals exhibit a relative sparing of MYH. In vitro, MuRF1 is shown to function as an E3 ubiquitin ligase for MYH. These data identify the mechanism by which MYH is depleted under atrophy conditions and demonstrate that inhibition of a single E3 ligase, MuRF1, is sufficient to maintain this important sarcomeric protein.

We have exploited a battery of approaches to address several controversies that have accompanied the expansion of the nerve growth factor (NGF) family of neurotrophic factors and the identification of the Trk tyrosine kinases as receptors for these factors. For example, we find that a recently cloned mammalian neurotrophin, known as either neurotrophin-4 or neurotrophin-5 and assigned widely differing receptor specificities, represents the functional counterpart of Xenopus neurotrophin-4 and is a "preferred" ligand for TrkB. However, its interactions with TrkB can be distinguished from those of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) with TrkB. We also find that all of the Trks display similar dose responses to their "preferred" ligands in neuronal as compared with nonneuronal cells (i.e., NGF for TrkA, BDNF and NT-4/5 for TrkB, and NT-3 for TrkC), providing evidence against a role for accessory molecules expressed in neurons in generating receptors that would allow for responses to lower concentrations of the neurotrophins. However, we find that a neuronal environment does restrict the Trks in their ability to respond to their "nonpreferred" neurotrophin ligands.

Skeletal muscle atrophy is a severe morbidity caused by a variety of conditions, including cachexia, cancer, AIDS, prolonged bedrest, and diabetes. One strategy in the treatment of atrophy is to induce the pathways normally leading to skeletal muscle hypertrophy. The pathways that are sufficient to induce hypertrophy in skeletal muscle have been the subject of some controversy. We describe here the use of a novel method to produce a transgenic mouse in which a constitutively active form of Akt can be inducibly expressed in adult skeletal muscle and thereby demonstrate that acute activation of Akt is sufficient to induce rapid and significant skeletal muscle hypertrophy in vivo, accompanied by activation of the downstream Akt/p70S6 kinase protein synthesis pathway. Upon induction of Akt in skeletal muscle, there was also a significant decrease in adipose tissue. These findings suggest that pharmacologic approaches directed toward activating Akt will be useful in inducing skeletal muscle hypertrophy and that an increase in lean muscle mass is sufficient to decrease fat storage.